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- ELETTRONICA OGGI 432 - NOVEMBRE/DICEMBRE 2013
COMPONENTS
NANOPOWER
La figura 3 mostra una vista più dettagliata della funziona-
lità integrata dell’LTC3330. Il raddrizzatore a ponte intero
integrato accetta ingressi AC (es. trasduttori piezoelettrici
o magnetici) per raddrizzare i segnali AC in segnali DC.
Ovviamente gli ingressi DC come le celle solari non hanno
bisogno di questo raddrizzamento. In caso di utilizzo di
più ingressi di trasduttori, l’LTC3330 usa quello con la
tensione più alta disponibile (potenza). La corrente in
ingresso viene raccolta sul condensatore in uscita e,
quando supera la soglia UVLO programmabile, il disposi-
tivo di priorità disattiva la batteria e il convertitore step-
down sincrono fornisce la potenza necessaria all’uscita
dove viene usata per il carico mediante il
pin V
OUT
pin o l’uscita LDO a basso rumo-
re; la potenza in eccesso viene immagaz-
zinata nel condensatore in uscita e/o nei
supercondensatori. In questa situazione
la corrente di riposo della batteria è pari
a zero. Una derivazione di protezione
degli ingressi offre un ulteriore livello
di sicurezza per le tensioni superiori a 20V. Se la fonte
in ingresso di energy harvesting è disponibile, il dispo-
sitivo di priorità passa automaticamente al convertitore
buck-boost sincrono per fornire l’uscita necessaria. Sia
V
OUT
sia VLDO rimangono regolate per tutto il passaggio,
garantendo la potenza necessaria al sensore, al trasmetti-
tore wireless e al microprocessore. La capacità d’ingres-
so tra 1,8V e 5,5V del convertitore buck-boost accetta
una vasta gamma di batterie agli ioni di litio. Fornisce una
tensione costante a prescindere dal fatto che la tensione
sia superiore, uguale o inferiore a V
OUT
, con un rendimen-
to superiore al 90%. L’architettura buck-boost offre un
30% in più in termini di durata della batteria rispetto a un
progetto buck tradizionale. In caso di alimentazione da
batteria, la corrente di uscita totale dipende dal rapporto
V
IN
/V
OUT
e alla fine della vita utile delle batterie agli ioni
di litio è di circa 50mA. V
OUT
è l’ingresso dell’uscita LDO
a basso rumore che è programmabile da pin da 1,2V a
50mV sotto V
OUT
, il che lo rende la soluzione ideale per
alimentare vari tipi di core di microprocessori/controller.
Un bilanciatore opzionale garantisce la maggior durata
di questa energia accumulata. Sia V
OUT
sia VLDO hanno
uscite di controllo powergood per facilitare il funziona-
mento del sistema generale.
Di quanto viene prolungata
la durata della batteria?
Questo aspetto dipende dalla natura/disponibilità della
fonte di energia ambientale e dalle esigenze di alimenta-
zione della WSN. Nell’esempio del sistema HVAC illustra-
to in precedenza, se il compressore è sempre attivo, l’in-
tero sistema viene gestito dalla fonte di energy harvesting
piezoelettrica e la batteria diventa una semplice riserva
da usare in caso di guasto o quando il compressore viene
sottoposto a manutenzione; in questo modo la durata
della batteria viene prolungata all’infinito. Lo stesso vale
nel caso dei treni in cui i sensori servono a misurare la
temperatura dei cuscinetti delle ruote, l’inventario del
carico o la temperatura; una fonte piezoelettrica alimenta
il sistema quando il treno è in movimento, mentre la bat-
teria subentra quando il treno è fermo. Anche in questo
caso la durata della batteria viene prolungata in modo
significativo, una caratteristica molto
importante per un veicolo ferroviario.
Un altro esempio è rappresentato dalle
applicazioni alimentate a energia solare.
Aggiungendo uno stack di piccolissime
celle solari, il sistema funziona nelle ore
diurne con questa fonte di energia rac-
colta, immagazzinando tutta la potenza in
eccesso nel condensatore in uscita e nei supercondensa-
tori. Quando l’energia solare non è disponibile, il sistema
prima scarica il condensatore in uscita e i supercon-
densatori per alcune ore, poi passa alla batteria. Questo
sistema consente almeno di raddoppiare la durata della
batteria, a seconda delle condizioni esterne.
A chi chiede di quanto si possa prolungare la durata di
una batteria possiamo rispondere “dipende”. L’estensione
può andare dal doppio all’infinito, ma molto dipende dal
progetto dei sistemi e dai duty cycle della potenza in
ingresso/uscita. Ovviamente occorre utilizzare un cir-
cuito integrato adatto per la fonte di energy harvesting
abbinata a una batteria primaria. Nella maggior parte dei
casi questo consente ai progettisti di usare una batteria
più piccola e meno costosa.
Per una vasta gamma di applicazioni WSN l’aggiunta di
un adeguato trasduttore di energia ambientale e un IC per
la gestione dell’energia raccolta può prolungare in modo
significativo la durata della batteria primaria del sistema.
L’LTC3330 è in grado di offrire una soluzione di questo
tipo. Può accettare fonti di energia ambientale sia AC sia
DC e ingressi per una batteria primaria e passare senza
problemi da una fonte all’altra in base alle necessità. Il
dispositivo offre anche un rendimento elevato e nessun
consumo sulla batteria in caso di recupero dell’energia,
oltre a una soluzione molto compatta e facile da realizza-
re. Il dispositivo è in grado di prolungare la durata della
batteria all’infinito in molto applicazioni, riducendo sia
le dimensioni sia il costo della batteria primaria e della
relativa sostituzione.
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Come si fa a far
durare di più
queste batterie?
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